UNIVERSITAS INDONESIA PEMODELAN FISIK ALIRAN AIR DAN...
Transcript of UNIVERSITAS INDONESIA PEMODELAN FISIK ALIRAN AIR DAN...
-
UNIVERSITAS INDONESIA
PEMODELAN FISIK ALIRAN AIR DAN TRANSPOR PENCEMAR PADA MEDIA BERPORI JENUH
MENGGUNAKAN SEEPAGE TANK
SKRIPSI
HERLAMBANG CIPTA AJI 0806315710
FAKULTAS TEKNIK UNIVERSITAS INDONESIA PROGRAM STUDI TEKNIK SIPIL
KEKHUSUSAN MANAJEMEN SUMBER DAYA AIR DEPOK
JUNI 2012
Pemodelan fisik..., Herlambang Cipta Aji, FTUI, 2012
PerpustakaanNoteSilakan klik bookmarks untuk melihat atau link ke hlm
-
1140/FT.01/SKRIP/07/2012
UNIVERSITAS INDONESIA
PEMODELAN FISIK ALIRAN AIR DAN TRANSPOR PENCEMAR PADA MEDIA BERPORI JENUH
MENGGUNAKAN SEEPAGE TANK
SKRIPSI Diajukan sebagai salah satu syarat memperoleh gelar Sarjana Teknik
HERLAMBANG CIPTA AJI 0806315710
FAKULTAS TEKNIK UNIVERSITAS INDONESIA PROGRAM STUDI TEKNIK SIPIL
KEKHUSUSAN MANAJEMEN SUMBER DAYA AIR DEPOK
JUNI 2012
Pemodelan fisik..., Herlambang Cipta Aji, FTUI, 2012
-
r ':."8r+-! \-
HALAMAN PERI\TYATAA}T ORISINALITAS
Skrifsi if,t rdrhh h*il krrye cendiri,
dan semua eumberbdkyrngdkufip msupun diruluk
telah erye nyetaken dengen berrr
Nama : Herkmbarg Cipta Aii
NPM :0t06315710
TandaTangan :,Arfui:Tanggal :25Junt2012
u
Pemodelan fisik..., Herlambang Cipta Aji, FTUI, 2012
-
Telah berhasil dipertahankan di hadapan I)ewan Penguji dan diterimasebagai bagian dari persyaratan yang diperlukan untuk memperoleh gelarSarjana Teknik pada Program studi Teknik Sipil Fakultas TeknikUniversitas Indonesia
DE\ilAN PENGUJI
Pembimbing : k. Herr Soeryantono, M.Sg Ph.D
Skripsi ini diajukan oleh
NamaNPMProgram StudiJudul Skripsi
Penguji I
Penguji 2
Ditetapkan di : De,pokTanggal :25luni20l2
IIALAMAN Pf,NGESAHAN
Herlambang Cipta Aji0806315710Teknik SipilPemodelan Fisik Aliran Air dan TransporPencemar pada Media Berpori JanuhMenggunak at S e ep a ge Tank
:Ir. Ruswan Rasul MSi
ill
Pemodelan fisik..., Herlambang Cipta Aji, FTUI, 2012
-
iv
UCAPAN TERIMA KASIH
Puji dan syukur hanya bagi Allah SWT yang karena rahmat-Nya, penulisan
skripsi berjudul “Pemodelan Fisik Aliran Air dan Transpor Pencemar pada
Media Berpori Jenuh menggunakan Seepage Tank” ini dapat terselesaikan.
Makalah ini ditulis sebagai salah satu syarat untuk memperoleh gelar Sarjana
Teknik Jurusan Teknik Sipil pada Fakultas Teknik Universitas Indonesia.
Bagaimana pun juga, terselesaikannya karya tulis ini tidak lepas dari bantuan
berbagai pihak yang telah mendukung penulis dari awal hingga akhir, secara sadar
maupun tidak. Terima kasih saya ucapkan kepada:
1) Ir. Herr Suryantono, M.Sc, Phd. sebagai pembimbing skripsi yang dengan
sabar memberikan arahan dan motivasi di tengah kesibukannya;
2) Ma’rufi, Nanda, dan Desy, teman-teman yang telah menjadi tiga “tembok
besar” yang harus dilampaui, memberi semangat kompetisi, dan membuat
suasana kuliah selama satu tahun belakangan terasa menyenangkan;
3) Bapak Subagyo dan Mbak Wiwit yang telah rela disibukkan untuk membantu
praktikum dan perawatan alat seepage tank selama 3 bulan lebih;
4) Irvan, Nico, Indra, Febri, Meydam, Lina, Faza, Zidni, Ryan, Sella, Rezki D.
N., Asrovi, Crystin, Noni, Akbar, Yuditia, Zahra, Kemal, Nisa, dan Vincent
yang telah membantu proses percobaan di laboratorium;
5) Seluruh staf pengajar dan karyawan Departemen Teknik Sipil serta teman-
teman angkatan 2008 yang telah berhasil membuat kampus terasa seperti
rumah;
6) Sumpeno dan Handri Anik E., kedua orang tua terbaik yang telah menjadi
sebuah “alasan” terkuat untuk menyelesaikan skripsi ini, serta adikku Rani
yang bisa menjadi penghibur di kala susah; serta
7) Semua pihak telah yang mendukung dan membantu terselesaikannya skripsi
ini.
Pemodelan fisik..., Herlambang Cipta Aji, FTUI, 2012
-
Akhir kata, kiranya Allah memberi balasan terbaik kepada semua pihak yang telah
membantu proses pengerjaan skripsi saya. Semoga skripsi ini dapat menjadi salah
satu karya yang berman faat bagiperkembangan ilmu pengetahuan.
Depok, 25luni20l2
Eilambang Cipta Aji
Pemodelan fisik..., Herlambang Cipta Aji, FTUI, 2012
-
HALAMAN PERI\IYATAAN PERSETUJUAN PUBLIKASI TUGASAKHIR UNTT]K KEPENTINGAN AI(ADEMIS
Sebagai sivitas akademik Universitas Indonesia, saya yang bertanda tangan di
bawah ini:
Nama :Herlambang Cipta AjiNPM :0806315710Program Studi :Teknik SipilDepartemen :Teknik SipilFakultas :TeknikJenis karya :Skripsi
demi pengembangan ilmu pengetahuan, menyetujui untuk memberikan kepada
Universitas Indonesia Hak Bebas Royalti Nonekskluslf (Non-exclusive Royalty-
Free Right) atas karya ilmiah saya yang berjudul:
Pemodelan Aliran Air dan Transpor Pencemar pada Media Berpori Jenuh
Menggunakan Seepage Tank
beserta perangkat yang ada. Dengan Hak Bebas Royalti Noneksklusif ini
Universitas Indonesia berhak menyimpan, mengalihmedia/formatkan, mengelola
dalam bentuk pangkalan data (database), merawat, dan memublikasikan tugas
akhir saya selama tetap mencantumkan nama saya sebagai penulis/pencipta dan
sebagai pemilik Hak Cipta.
Demikian pernyataan ini saya buat dengan sebenarnya.
Dibuat di: DepokPadatanggal: 25 Juni2Al2
Yang menyatakan
dill#t(Herlambang' Cipta Aji)
VI
Pemodelan fisik..., Herlambang Cipta Aji, FTUI, 2012
-
vii Universitas Indonesia
ABSTRAK
Nama : Herlambang Cipta Aji
Program Studi : Teknik Sipil
Judul : Pemodelan Fisik Aliran Air dan Transpor Pencemar pada Media
Berpori Jenuh Menggunakan Seepage Tank
Hubungan manusia dan sumberdaya air penting dan saling mempengaruhi satu sama lain. Salah satu peristiwa yang perlu mendapat perhatian adalah kontaminasi air tanah melalui dinding sungai. Makalah skripsi ini mengusulkan suatu protokol untuk memodelkan kejadian tersebut menggunakan seepage tank. Pemodelan ini meliputi aliran air melalui media berpori pada kondisi steady dan unsteady serta transpor pencemar mekanisme adveksi-dispersi yang terjadi akibat point-source loading. Meski demikian, terdapat kekurangan dalam analisa hasil pemodelan ini sehingga dibutuhkan pengembangan yang lebih lanjut. Kata kunci: pemodelan fisik, seepage tank, aliran air melalui media berpori, steady, unsteady, adveksi-dispersi
ABSTRACT
Name : Herlambang Cipta Aji
Study Program : Teknik Sipil
Title : Physical Modeling of Flow and Contaminant Transport through
Saturated Porous Media Using Seepage Tank
There is a reciprocal interaction between human and groundwater resources in which all components influence each other. Contamination occurred along soil-water interface in a river is an issue that has to be examined. Physical model of flow through porous media and contaminant transport using seepage tank is proposed to help the understanding of the phenomena. This model describes the flow of water through porous media in steady and unsteady condition and also transport of contaminant in advection-dispersion mechanism that happens for point-source loading. Yet, more development is needed to complete the analysis of this model’s output. Keywords: physical model, seepage tank, flow through porous media, steady,
unsteady, advection-dispersion
Pemodelan fisik..., Herlambang Cipta Aji, FTUI, 2012
-
viii Universitas Indonesia
DAFTAR ISI
HALAMAN JUDUL ............................................................................................ i HALAMAN PERNYATAAN ORISINALITAS .................................................. ii HALAMAN PENGESAHAN ............................................................................. iii UCAPAN TERIMA KASIH ............................................................................... iv HALAMAN PERNYATAAN PERSETUJUAN PUBLIKASI TUGAS AKHIR UNTUK KEPENTINGAN AKADEMIS ............................................................ vi ABSTRAK ........................................................................................................ vii DAFTAR ISI .................................................................................................... viii DAFTAR GAMBAR .......................................................................................... xi DAFTAR TABEL ............................................................................................. xii 1. PENDAHULUAN ......................................................................................... 1
1.1 Latar Belakang .................................................................................. 1 1.2 Tujuan .............................................................................................. 3 1.3 Ruang Lingkup Permasalahan ........................................................... 3 1.4 Sistematika Penulisan ....................................................................... 4
2. DASAR TEORI ............................................................................................ 6
2.1 Air Tanah ......................................................................................... 6 2.2 Persamaan Aliran Air Tanah: Transient Saturated Flow .................... 7 2.3 Transpor Pencemar ............................................................................ 9 2.4 Persamaan Transpor Pencemar .......................................................... 9 2.5 Klasifikasi Tanah .............................................................................. 11 2.6 Hukum Darcy ................................................................................... 12 2.7 Porositas ........................................................................................... 15 2.8 Konduktivitas Hidrolik ..................................................................... 15
2.8.1 Konduktvitas Hidrolik dari Tanah Berlapis ............................. 16 2.8.2 Pengujian Konduktivitas Hidrolik ........................................... 18
2.8.2.1 Pengujian Tinggi Konstan (Constant Head Test) ......... 19 2.8.2.2 Pengujian Tinggi Jatuh (Falling Head Test) ................ 19
2.9 Kompresibilitas................................................................................. 23 2.9.1 Kompresibilitas dari Media Berpori ........................................ 23 2.9.2 Kompresibilitas dari Air .......................................................... 23
2.10 Spesific Yield dari Akifer Tidak Terkekang ..................................... 23 2.11 Koefisien Dispersi .......................................................................... 24 2.12 Jaringan Aliran ............................................................................... 26 2.13 Seepage Tank .................................................................................. 28
3. METODE PENELITIAN ........................................................................... 30
3.1 Pemilihan Pasir sebagai Media Berpori ............................................ 31 3.2 Pengukuran Karakteristik Sistem Aliran .......................................... 31
3.2.1 Pengujian Porositas Media Berpori ......................................... 32 3.2.2 Pengujian Konduktivitas Hidrolik ........................................... 32 3.2.3 Pengukuran Kompresibilitas Pasir ........................................... 32 3.2.4 Pengukuran Konsentrasi Larutan Dye ..................................... 32 3.2.5 Pengukuran Koefisien Dispersi ............................................... 33
Pemodelan fisik..., Herlambang Cipta Aji, FTUI, 2012
-
ix Universitas Indonesia
3.3 Pemodelan Aliran Air Tanah dan Transpor Pencemar ...................... 33 3.3.1 Persiapan Alat Seepage Tank .................................................. 33 3.3.2 Mengatur Kondisi Pengaliran untuk Model Aliran Air Tanah
Unsteady ................................................................................ 34 3.3.3 Pembacaan Manometer untuk Model Aliran Air Tanah Unsteady
............................................................................................... 34 3.3.4 Mengatur Kondisi Pengaliran Steady untuk Model Transpor
Pencemar ................................................................................ 34 3.3.5 Memasukkan Dye sebagai Model Pencemar ke Pasir ............... 35 3.3.6 Pengamatan Gradien Konsentrasi Dye Sepanjang Aliran ......... 35
3.4 Algoritma Permodelan Fisik Aliran Air Tanah dan Transpor Pencemar pada Akifer Tak Terkekang Jenuh.................................................... 36
4. IMPLEMENTASI RENCANA PENELITIAN .......................................... 38
4.1 Pengecekan Visibilitas Pasir dalam Mengalirkan Larutan Dye .................. 38 4.2 Pengukuran Karakteristik Sistem Aliran ........................................... 39
4.2.1 Pengujian Porositas Media Berpori ......................................... 39 4.2.2 Pengujian Konduktivitas Hidrolik ........................................... 39 4.2.3 Pengukuran Kompresibilitas Pasir ........................................... 42 4.2.4 Pengukuran Konsentrasi Larutan Dye ..................................... 43 4.2.5 Pengukuran Koefisien Dispersi ............................................... 43
4.3 Pemodelan Aliran Air Tanah dan Transpor Pencemar ....................... 43 4.3.1 Metode Deposit Pasir .............................................................. 43 4.3.2 Pengaturan Kondisi Batas ....................................................... 44 4.3.3 Pengaturan Tinggi Muka Air di Hulu dan Hilir........................ 48 4.3.4 Injeksi larutan dye ke dalam pasir ............................................ 49 4.3.5 Pengamatan data tekanan kondisi steady ................................. 51 4.3.6 Pengamatan data tekanan kondisi unsteady ............................. 52 4.3.7 Pengamatan Transpor Pencemar .............................................. 52
5. PELAKSANAAN PEMODELAN ALIRAN AIR DAN TRANSPOR
PENCEMAR PADA MEDIA BERPORI JENUH MENGGUNAKAN SEEPAGE TANK ....................................................................................... 54
5.1 Tujuan Percobaan ............................................................................. 54 5.2 Alat dan Bahan ................................................................................. 54 5.3 Prosedur Percobaan .......................................................................... 55
5.3.1 Persiapan ................................................................................ 55 5.3.2 Pengamatan data tekanan pada kondisi steady ......................... 55 5.3.3 Pengamatan data tekanan pada kondisi unsteady ..................... 56 5.3.4 Pengamatan transpor pencemar ............................................... 56
5.4 Hasil Pengamatan ............................................................................. 57 5.4.1 Pengamatan Kondisi Steady .................................................... 57 5.4.2 Pengamatan Kondisi Unsteady ................................................ 57 5.4.3 Pengamatan Transpor Pencemar .............................................. 57
5.5 Pengolahan Data .............................................................................. 59 5.5.1 Distribusi Tekanan dan Garis Aliran Kondisi Pertama ............. 59 5.5.2 Distribusi Tekanan dan Garis Aliran Kondisi Kedua................ 59 5.5.3 Kecepatan Transpor Pencemar ................................................ 59
Pemodelan fisik..., Herlambang Cipta Aji, FTUI, 2012
-
x Universitas Indonesia
5.6 Analisa ............................................................................................. 60 5.6.1 Analisa Praktikum ................................................................... 60 5.6.2 Analisa Hasil ........................................................................... 62 5.6.3 Analisa Kesalahan ................................................................... 63
6. PENUTUP ................................................................................................... 64 6.1 Kesimpulan ...................................................................................... 64 6.2 Saran ................................................................................................ 65
DAFTAR PUSTAKA ...................................................................................... 66
Pemodelan fisik..., Herlambang Cipta Aji, FTUI, 2012
-
xi Universitas Indonesia
DAFTAR GAMBAR
Gambar 2.1 Distribusi air di bawah permukaan tanah ..................................... 6 Gambar 2.2 Control volume elemental untuk aliran melalui media berpori ....... 7 Gambar 2.3 (a) Perisitiwa adveksi-dispersi ....................................................... 9 Gambar 2.3 (b) Perisitiwa adveksi .................................................................... 9 Gambar 2.4 Keseimbangan massa pada transport pencemar............................ 10 Gambar 2.5 Kurva distribusi ukuran partikel .................................................. 12 Gambar 2.6 Percobaan Darcy ......................................................................... 13 Gambar 2.7 ...Konduktivitas hirolik ekivalen pada aliran horisontal melalui tanah
berlapis ....................................................................................... 17 Gambar 2.8 Konduktivitas hirolik ekivalen pada aliran vertikal melalui tanah
berlapis ....................................................................................... 18 Gambar 2.9 Percobaan constant head test ....................................................... 21 Gambar 2.10 Percobaan falling head test .......................................................... 22 Gambar 2.11 Ilustrasi specific yield pada akifer tidak terkekang ....................... 24 Gambar 2.12 Pengujian koefisien dispersi ........................................................ 25 Gambar 2.13 Grafik C/Co terhadap (U-1)/U0.5 ................................................ 26 Gambar 2.14 Jaringan Aliran ............................................................................ 27 Gambar 2.15 Peralatan seepage tank ................................................................ 29 Gambar 3.1 Pengaturan alat seepage tank ....................................................... 30 Gambar 3.2. Algoritma pemodelan .................................................................. 37 Gambar 4.1 Pengecekan visibilitas pasir ......................................................... 38 Gambar 4.2 Sampel pasir dalam mould permeabity ........................................ 40 Gambar 4.3 Selang untuk mengalirkan air ke mould ....................................... 41 Gambar 4.4 Selang terhubung dengan reservoir atas ....................................... 41 Gambar 4.5 Pengukuran debit air yang keluar ................................................ 41 Gambar 4.6 Penumbukan pasir dengan beban cincin 1 kg ............................... 44 Gambar 4.7 Distribusi tekanan untuk head hulu 39 cm dan head hilir 32,5 cm,
permeable boundary .................................................................... 45 Gambar 4.8 Equipotential line untuk kondisi batas lolos air............................ 45 Gambar 4.9 Distribusi tekanan untuk head hulu 39 cm dan head hilir 32,5 cm,
impermeable boundary ................................................................ 46 Gambar 4.10 Equipotential line untuk kondisi batas tidak lolos air ................... 46 Gambar 4.11 .Gerusan di awal pengisian air ...................................................... 47 Gambar 4.12 .Air mulai berbalik ke arah pembatas ........................................... 47 Gambar 4.13 .Rangkaian alat injeksi dye ........................................................... 49 Gambar 4.14 .Ilustrasi metode injeksi larutan dye .............................................. 50 Gambar 4.15 .Larutan dye tidak dapat masuk akibat tekanan yang terlalu besar 51 Gambar 4.16 Gelembung udara terperangkap dalam manometer ...................... 52 Gambar 5.1 Pengamatan perjalanan ujung warna dye ..................................... 58 Gambar 5.2 Distibusi tekanan dan garis aliran kondisi pertama ...................... 59 Gambar 5.3 Distibusi tekanan dan garis aliran akhir kondisi kedua ................. 59 Gambar 5.4 Grafik jarak terhadap waktu tempuh ujung pencemar .................. 60
Pemodelan fisik..., Herlambang Cipta Aji, FTUI, 2012
-
xii Universitas Indonesia
DAFTAR TABEL
Tabel 2.1. Distribusi ukuran partikel ........................................................... 11 Tabel 2.2. Rentang nilai permeabilitas ......................................................... 15 Tabel 2.3. Konduktivitas hidrolik menurut Casagrande ................................ 16 Tabel 2.4. Konduktivitas hidrolok menurut Wesley pada suhu standar (200 C) .................................................................................................... 16 Tabel 4.1 Data sampel pasir ........................................................................ 40 Tabel 4.2 Hasil pengukuran debit ................................................................ 41 Tabel 5.1 Bacaan manometer kondisi steady ............................................... 57 Tabel 5.2 Waktu perubahan manometer hingga stabil (dalam detik) ............ 57 Tabel 5.3 Bacaan akhir manometer (dalam cm)........................................... 57 Tabel 5.4 Bacaan manometer untuk transpor pencemar ............................... 58 Tabel 5.5 Pengamatan awal adveksi dan dispersi dye .................................. 58 Tabel 5.6 Munculnya ujung warna dye ........................................................ 58 Tabel 5.7 Hasil pengamatan ujung warna dye.............................................. 60 Tabel 5.8 Perbandingan distribusi tekanan dan garis aliran dua kondisi muka
air ............................................................................................... 62 Tabel 5.9 Waktu perubahan manometer di kondisi unsteady ....................... 62
Pemodelan fisik..., Herlambang Cipta Aji, FTUI, 2012
-
1 Universitas Indonesia
BAB 1
PENDAHULUAN
1.1 Latar Belakang
Kegiatan produksi dan konsumsi yang dilakukan manusia telah
mempengaruhi kondisi lingkungan di sekitarnya. Termasuk sumber daya air, yang
dengannya manusia terus berinteraksi. Perubahan kualitas dan kuantitas air akibat
kegiatan manusia hingga saat ini telah menjadi masalah yang populer mengingat
besarnya dampak yang bisa muncul dari hal ini.
Salah satu permasalahan sumber daya air akibat aktivitas manusia adalah
pencemaran badan air permukaan oleh limbah. Pencemaran air permukaan ini
dapat berasal dari tingginya kandungan sedimen yang berasal dari (1) erosi,
kegiatan pertanian, penambangan, konstruksi, pembukaan lahan, dan aktivitas
lain; (2) limbah organik dari manusia, hewan, dan tanaman; (3) kecepatan
pertambahan senyawa kimia yang berasal dari aktivitas industri yang membuang
limbahnya ke perairan (Hendrawan, 2005). Menurut penilaian IKA (Indeks
Kualitas Air) yang mewakili parameter fisika, kimia, dan biologi pada sungai dan
situ DKI Jakarta pada tahun 2005, diketahui bahwa 83% sungai dan 79% situ
yang ada berada pada kondisi yang buruk.
Pencemaran air di badan sungai tidak hanya mempengaruhi kualitas air
di sungai saja, tetapi juga kualitas air tanah. Hal ini terjadi terutama di sungai
alami pada daerah dataran rendah yang dindingnya masih berupa tanah. Air
sungai yang tercemar dapat masuk ke dalam tanah ketika muka air sungai lebih
tinggi daripada muka air tanah. Hal ini tentu menjadi berbahaya mengingat
menyebarnya pencemar pada sistem air tanah secara kasat mata tidak terlihat
namun dampaknya dapat dirasakan secara nyata.
Untuk dapat meminimalisasi efek dari pencemaran air tanah akibat
kontak dengan badan sungai yang tercemar, perlu ada pencegahan dan
pengendalian terhadap sumber pencemar maupun mekanisme transpornya.
Pencegahan dan pengendalian pada sumber pencemar dapat dilakukan dengan
mengurangi masukan pencemar yang masuk ke sungai, sementara pengendalian
terhadap mekanisme transpor pencemar dapat dilakukan dengan melakukan
Pemodelan fisik..., Herlambang Cipta Aji, FTUI, 2012
-
2
Universitas Indonesia
tindakan-tindakan rekayasa guna mencegah pencemar menyebar ke wilayah yang
lebih luas. Agar dapat melakukan pengendalian dan pencegahan yang sesuai,
diperlukan adanya pemahaman mengenai rembesan dan transpor pencemar di
dalam sistem air tanah.
Ada berbagai kondisi yang menyebabkan terjadinya peristiwa aliran air
dan transpor pencemar dalam air tanah. Untuk itu perlu diketahui terlebih dahulu
batasan-batasan mengenai jenis pencemar yang akan ditinjau beserta sudut
pandang yang digunakan dalam mengamati alirannya.
Materi-materi yang dalam pergerakannya tidak mengalami perubahan
struktur kimia mengalir dalam tanah melalui mekanisme adveksi dan dispersi.
Dalam mekanisme adveksi, massa pencemar mengalir sesuai arah aliran air dalam
tanah. Dan dengan adanya peristiwa dispersi, konsentrasi pencemar dalam
alirannya kemudian terpecah ke arah longitudinal dan transversal aliran sehingga
menimbulkan perubahan konsentrasi terhadap ruang dan waktu. Aliran yang
terjadi dalam peristiwa transpor pencemar dari sungai ke air tanah melalui dinding
sungai ini bergerak secara dua dimensi. Pencemar bergerak ke arah tegak lurus
aliran sungai akibat resapan tanah dan ke bawah akibat pengaruh gravitasi.
Pemahaman mengenai aliran dan transpor pencemar dalam air tanah
tidak mudah didapatkan. Air tanah, sebagai suatu sumber daya alam, memiliki
sifat yang kompleks dan melibatkan banyak variabel. Untuk itu diperlukan adanya
model yang dapat menyederhanakan kejadian dalam sistem air tanah. Dengan
pemodelan, pemahaman mengenai hubungan antar paramater menjadi lebih jelas
dan prediksi pun dapat dilakukan tanpa harus melakukan pengujian secara
langsung di lapangan. Berbagai macam model dapat dibuat untuk
menggambarkan aliran dan transpor pencemar dalam air tanah, begitu pula dengan
metode analisa yang digunakan. Secara garis besar, ada dua model yang dapat
dibuat: model matematis yang diwujudkan dalam program komputer dan model
fisik yang diwujudkan melalui percobaan.
Pemodelan fisik dengan Seepage Tank merupakan suatu bentuk metode
yang belum banyak ditemukan dalam pembelajaran air tanah karena adanya
kesulitan dalam memperoleh kondisi yang dapat mewakili keadaan sesungguhnya.
Masukan atau perlakuan yang diberikan harus dapat menghasilkan respon sesuai
Pemodelan fisik..., Herlambang Cipta Aji, FTUI, 2012
-
3
Universitas Indonesia
dengan prediksi-prediksi matematis yang sudah lebih dahulu di sepakati. Karena
itu diperlukan adanya kontrol terhadap lingkungan dari peralatan, media berpori
yang digunakan, dan masukan yang diberikan. Setelah semua itu tercapai,
kesulitan berikutnya yang muncul adalah bagaimana memastikan pengamatan
yang dilakukan melalui alat tersebut dapat digunakan untuk berbagai kasus lain
yang memiliki kondisi batas (boundary condition) berbeda.
Melihat tantangan-tantangan yang ada, penulis merasa perlu adanya suatu
prosedur operasional standar yang dapat digunakan dalam memodelkan aliran dan
transpor pencemar dalam air tanah secara fisik. Dalam karya tulis ini akan dibuat
suatu percobaan dari aliran dan transpor pencemar dalam air tanah menggunakan
Seepage Tank yang dapat menyederhanakan pemahaman mengenai karakter air
tanah sekaligus menjadi pembanding bagi model-model matematik yang sudah
ada. Dengan terlebih dahulu mempersiapkan alat agar dapat menggambarkan
berbagai parameter aliran dan berbagai kasus yang mungkin terjadi, diharapkan
dapat diperoleh suatu standar untuk dapat merepitasi sekaligus menduplikasi
percobaan mengenai aliran dan transpor pencemar dalam air tanah.
1.2 Tujuan
Tujuan dari karya tulis ini adalah:
1. Mendapatkan prosedur standar untuk mensimulasi secara fisik aliran air dan
transpor pencemar pada media berpori jenuh mengunakan peralatan Seepage
Tank.
2. Mensimulasi dinamika tekanan hidrolik (hydraulic head) di berbagai titik
akibat perubahan tekanan hidrolik pada kondisi batas media berpori jenuh
menggunakan peralatan Seepage Tank.
3. Memodelkan fungsi konsentrasi terhadap jarak dan waktu dalam kejadian
transpor pencemar pada media berpori jenuh akibat point source loading
mengunakan peralatan Seepage Tank.
1.3 Ruang Lingkup Permasalahan
Untuk menyederhanakan pembahasan, dalam karya tulis ini dibuat
batasan-batasan masalah sesuai tujuan yang ingin dicapai sebagai berikut:
Pemodelan fisik..., Herlambang Cipta Aji, FTUI, 2012
-
4
Universitas Indonesia
1. Percobaan menggunakan peralatan Seepage Tank untuk memodelkan aliran
dan transpor pencemar pada media berpori jenuh.
2. Aliran air yang dimodelkan berada pada kondisi pengaliran tak-tunak
(unsteady) dan bergerak dalam arah dua dimensi tanpa adanya perubahan
massa jenis.
3. Mekanisme transpor pencemar yang dimodelkan merupakan peristiwa
adveksi dan dispersi dan berada pada kondisi pengaliran tunak (steady).
1.4 Sistematika Penulisan
BAB 1 : PENDAHULUAN
Bab ini berisi uraian mengenai latar belakang, deskripsi permasalahan,
tujuan penelitian, ruang lingkup permasalahan, dan sistematika penulisan.
BAB 2 : TINJAUAN PUSTAKA
Dalam bab ini dibahas teori-teori dasar dari air tanah, persamaan aliran
air tanah dan transpor pencemar, parameter-parameter dalam aliran air pada media
berpori dan transpor pencemar, serta alat yang digunakan dalam pengamatan.
BAB 3 : METODE PENELITIAN
Membahas rancangan langkah-langkah yang akan diambil dalam
kegiatan hingga diperoleh suatu prosedur pemodelan aliran air tanah dan transpor
pencemar pada media berpori jenuh menggunakan perlatan seepage tank.
BAB 4 : IMPLEMENTASI RENCANA PENELITIAN
Menjelaskan pelaksanaan, hasil, dan kendala dalam pelaksanaan
rancangan penelitian yang dilakukan untuk memperoleh prosedur pemodelan
fisik.
BAB 5 : PELAKSANAAN PEMODELAN ALIRAN AIR DAN TRANSPOR
PENCEMAR PADA MEDIA BERPORI JENUH MENGGUNAKAN SEEPAGE
TANK
Memberikan prosedur pemodelan fisik menggunakan seeage tank beserta
pembahasan suatu kasus aliran air dan transpor pencemar pada media berpori.
BAB 6 : PENUTUP
Berisi kesimpulan dari kegiatan yang sudah dilakukan, jawaban dari
tujuan penelitian, dan saran untuk pengembangan lebih lanjut.
Pemodelan fisik..., Herlambang Cipta Aji, FTUI, 2012
-
5 Universitas Indonesia
BAB 2
DASAR TEORI
2.1 Air Tanah
Keberadaan air di dalam tanah dapat dibagi menjadi beberapa lapisan
seperti yang terlihat pada gambar 2.1. Pertama, soil water zone, yaitu lapisan yang
paling dekat dengan permukaan tanah dan memiliki kandungan air yang
jumlahnya sangat bergantung pada curah hujan dan infiltrasi. Kedua, vadose zone,
yang merupakan lapisan yang terletak di atas muka air tanah. Munculnya
kandungan air di zona ini terjadi akibat gaya higroskopis dan gaya kapiler dari air
tanah di bawahnya. Tebal zona kapiler (capillary zone/fringe) berbanding terbalik
dengan ukuran pori tanah dan berbanding lurus dengan tegangan permukaan
(surface tension) air di bawahnya. Kedua lapisan tersebut di atas disebut juga
sebagai zona aerasi dan merupakan lapisan tidak jenuh air (unsaturated zone).
Lapisan ketiga, adalah groundwater zone, yang merupakan lapisan jenuh air
(saturated zone) dan berada di bawah muka air tanah. Di lapisan ini lah
pengambilan air tanah dengan sumur dilakukan.
Gambar 2.1. Distribusi air di bawah permukaan tanah
Sumber: Bear (1979)
Akifer didefinisikan sebagai suatu formasi tanah yang mengandung
cukup banyak material lolos air (permeabel) untuk dapat menghasilkan air dalam
jumlah yang signifikan bagi sumur dan mata air (Bedient, Rifai, & Newell, 1994).
Pemodelan fisik..., Herlambang Cipta Aji, FTUI, 2012
-
6
Universitas Indonesia
Akifer terbagi menjadi dua, yaitu akifer tidak terkekang (unconfined aquifer) dan
akifer terkekang (confined aquifer). Akifer tidak terkekang adalah zona air tanah
yang berada di atas lapisan kedap air dan membentuk muka air tanah di atasnya.
Akifer terkekang adalah zona air tanah yang dibatasi oleh dua lapisan kedap air di
atas dan bawahnya.
2.2 Persamaan Aliran Air Tanah: Transient Saturated Flow
Hukum kekekalan massa untuk aliran tak tunak (unsteady) pada kondisi
tanah jenuh (saturated) menyatakan bahwa jumlah massa yang masuk dan keluar
dari suatu control volume sama dengan perubahan massa tampungan dari control
volume tersebut.
Persamaan massa untuk aliran tak tunak pada akifer terkekang jenuh
adalah sebagai berikut:
Gambar 2.2. Control volume elemental untuk aliran melalui media berpori
Sumber: Bedient, et al (1994)
−�(���)
��−
������
��−
�(���)
��=
�(��)
��= �
��
��+ �
��
�� (2.1)
dengan
ρ: massa jenis fluida (kg/m3)
v: kecepatan aliran (m/s)
n: porositas
Suku pertama dari persamaan di sisi kanan, ����
��� , menunjukkan
peristiwa berubahnya massa akibat perubahan massa jenis air ρ per satuan waktu
Pemodelan fisik..., Herlambang Cipta Aji, FTUI, 2012
-
7
Universitas Indonesia
sementara suku kedua, ����
���, menunjukkan peristiwa berubahnya massa akibat
perubahan porositas n per satuan waktu. Suku pertama dipengaruhi oleh
kompresibilitas fluida dan suku kedua dipengaruhi oleh kompresibilitas tanah
atau media berpori .
Persamaan tersebut kemudian disederhanakan dengan pemahaman bahwa
perubahan ρ dan n dipengaruhi oleh perubahan tekanan hidrolik h dan bahwa
volume air yang dihasilkan dari kedua mekanisme per satuan tekanan dapat
dinyatakan sebagai Ss, spesific storage, yang dirumuskan dengan �� =
��(� + ��). Diperoleh persamaan
−�(���)
��−
������
��−
�(���)
��= ���
��
�� (2.2)
Dengan penurunan parsial �(���)
��= �
���
��+ ��
��
�� , ditemukan bahwa
����
��≫ ��
��
�� dan begitu pula untuk sumbu y dan sumbu z. Persamaan lalu
dirubah menjadi:
−����
��− �
���
��− �
���
��= ���
��
�� (2.3)
Sesuai Hukum Darcy, �� = ����
�� dengan Kx adalah konduktivitas tanah
pada arah x, maka didapat persamaan aliran transien air tanah pada akifer
terkekang sebagai berikut:
�
�����
��
��� +
�
�����
��
��� +
�
�����
��
��� = ��
��
�� (2.4)
atau
���
���+
���
���+
���
���=
��
�
��
�� (2.5)
Untuk akifer tidak terkekang, ruas kanan persamaan ini dinyatakan dalam
Spesific Yield Sy sehingga menjadi
���
���+
���
���+
���
���=
��
�
��
�� (2.6)
Pemodelan fisik..., Herlambang Cipta Aji, FTUI, 2012
-
8
Universitas Indonesia
2.3 Transpor Pencemar
Menurut Bedient, Rifai, & Newell (1994), mekanisme transpor pencemar
yang menjadi perhatian utama pada pembahasan air tanah adalah adveksi,
dispersi, adsorpsi, biodegradasi, dan reaksi kimia. Adveksi adalah bergeraknya
pencemar bersama aliran air tanah dengan kecpatan yang sama dengan kecepatan
aliran tersebut. Difusi adalah transpor massa molekular yang membuat padatan
berpindah dari tempat dengan konsentrasi tinggi ke konsentrasi yang lebih rendah.
Dispersi adalah proses gabungan yang terjadi akibat perbedaan kecepatan
rembesan pada media berpori. Pada peristiwa dispersi, terjadi penyebaran
konsentrasi pada tepi pencemar yang bergerak. Adsorpsi adalah terurainya
pencemar dari larutan asal yang kemudian masuk ke dalam matriks tanah.
Biodegradasi adalah perubahan senyawa organik menjadi CO2 dan air akibat
aktivitas mikroba dalam tanah.
Gambar 2.3. (a) Peristiwa adveksi-dispersi, dan (b) Peristiwa adveksi
Sumber: Bedient, et al (1994)
2.4 Persamaan Transpor Pencemar: Advection-Dispertion Equations
Hukum kekekalan massa yang berlaku dalam transpor pencemar adalah
perubahan massa
larutan dalam
control volume
=
fluks larutan
keluar control
volume
+
fluks larutan
masuk control
volume
±
Perubahan
akibat reaksi-
reaksi tertentu
Proses fisik yang berpengaruh pada fluks keluar dan masuk control
volume adalah peristiwa adveksi dan dispersi, sementara perubahan akibat reaksi
kimia dipengaruhi oleh peristiwa beodegradasi atau reaksi kimia.
Pemodelan fisik..., Herlambang Cipta Aji, FTUI, 2012
-
9
Universitas Indonesia
Gambar 2.4. Keseimbangan massa pada transport pencemar
Sumber: Bedient, et al (1994)
Transpor massa pencemar akibat adveksi = �̅ �� �� (2.7)
Transpor massa pencemar akibat dispersi = ��� ��
�� �� (2.8)
Dl merupakan koefisien dispersi pada arah longitudinal aliran, �� =
���̅ + �∗. Nilai �� adalah properti fisik dari media berpori yang disebut sebagai
dispersivity (L) sementara D* adalah coefficient of molecular diffusion dari
larutan dalam media berpori (L2/T).
Fx, Fy, dan Fz merupakan total massa larutan per satuan luas yang
bergerak akibat peristiwa adveksi dan dispersi.
�� = �̅ ��� − �����
��
�� = �̅ ��� − �����
��
�� = �̅ ��� − �����
�� (2.9)
Karena pencemar yang masuk dianggap non reaktif, maka selisih antara
massa yang masuk dan keluar dari control volume sama dengan jumlah
kandungan larutan yang terjadi dalam control volume tersebut. Persamaan massa
yang terjadi adalah
���
��+
���
��+
���
��= −�
��
�� (2.10)
������
���+ ��
���
���+ ��
���
����− � �̅�
��
��+ ��̅
��
��+ ��̅
��
���=
��
�� (2.11)
Pemodelan fisik..., Herlambang Cipta Aji, FTUI, 2012
-
10
Universitas Indonesia
2.5 Klasifikasi Tanah
Menurut ukuran partikelnya, British Standard mengklasifikasikan tanah
menjadi lima: lempung, lanau, pasir, kerikil, cobbles, dan boulders. Rentang
ukuran partikel menurut BS diberikan oleh gambar berikut:
Tabel 2.1. Distribusi ukuran partikel
Sumber: Craig (1991)
Kebanyakan jenis tanah terdiri dari campuran beberapa ukuran dan
biasanya lebih dari dua rentang ukuran (Craig, 1991). Dalam analisa distribusi
ukuran partikel tanah, dilakukan penentuan persentase berat partikel dalam
rentang ukuran yang berbeda. Distribusi ukuran tanah berbutir kasar ditentukan
melalui metode pengayakan, sementara distribusi ukuran tanah berbutir halus
ditentukan melalui metode pengendapan.
Distribusi ukuran partikel dapat digambarkan di atas kertas semi
logaritmik dengan sumbu ordinatnya adalah persentase berat partikel yang lebih
kecil daripada ukuran absisnya yang diketahui. Semakin landai kurva distribusi,
semakin besar rentang distribusinya. Sementara semakin curam kurvanya,
semakin kecil rentang distribusinya.
Secara umum tanah bergradasi baik diwakili oleh kurva distribusi yang
cembung dan mulus (Craig, 1991). Sementara tanah bergradasi buruk ditandai
dengan ukuran partikel yang seragam atau dengan adanya lompatan (gap) pada
distribusi ukuran partikelnya.
Ukuran partikel tanah yang memiliki persentase lebih kecil dari suatu
angka yang ditinjau dinyatakan sebagai Dx. Sebagai contoh, D10 menyatakan
ukuran partikel tanah yang memiliki persentase lebih kecil daripada 10% total
tanah.
Pemodelan fisik..., Herlambang Cipta Aji, FTUI, 2012
-
11
Universitas Indonesia
Gambar 2.5. Kurva distribusi ukuran partikel
Parameter penting dalam kurva distribusi ukuran adalah koefisien
keseragaman (Cu= coefficient of uniformity) dan koefisien kelengkungan (Cc=
coefficient of curvature). Semakin besar nilai Cu, semakin besar rentang distribusi
partikel tanah. Tanah bergradasi baik biasanya memiliki nilai Cc antara 1 sampai
3. Nilai kedua koefisien ini masing-masing adalah
�� =���
��� (2.12)
�� =����
������ (2.13)
2.6 Hukum Darcy
Aliran air tanah melalui media dapat dijelaskan melalui Hukum Darcy.
Hukum Darcy menyatakan bahwa debit aliran melalui media berpori berbanding
lurus dengan kehilangan energi yang terjadi dan berbanding terbalik dengan
panjang lintasannya. Secara matematis, Hukum Darcy dituliskan sebagai
� = � ∗ �∆�
∆� (2.14)
dengan
Q= debit aliran (m3/s)
A= luas penampang yang dilalui aliran (m2)
K= konduktivitas hidrolik dari media berpori, berupa konstanta (m/s)
Pemodelan fisik..., Herlambang Cipta Aji, FTUI, 2012
-
12
Universitas Indonesia
Δh= besarnya kehilangan energi (m)
ΔL= panjang lintasan aliran air (m)
Gambar 2.6. Percobaan Darcy
Sumber: Instruction Manual Seepage Tank (Armfield, Ltd, 1995)
Energi yang diwakilkan oleh variabel h merupakan energi total yang
terdiri atas tekanan pori, kecepatan aliran, dan elevasi.
ℎ =�
��+
��
��+ � (2.15)
dengan
h= tekanan hidrolik/hydraulic head (m)
u= tekanan air pori (N/m2)
w= berat jenis air (N/m3)
v= kecepatan aliran air (m/s)
g= percepatan gravitasi (m/s2)
z= elevasi (m)
Rasio ∆�
∆� dalam persamaan (2.3) disebut sebagai gradien hidrolik (i) dan
merupakan kemiringan dari garis energi antara dua titik pengamatan. Sementara K
merupakan konstanta proporsionalitas pada aliran melalui media berpori, disebut
sebagai konduktivitas hidrolik dan nilainya tergantung dari jenis media berpori
serta fluida yang melewatinya. Dimensi dari konduktivitas hidrolik sama dengan
dimensi kecepatan, yaitu LT-1.
Pemodelan fisik..., Herlambang Cipta Aji, FTUI, 2012
-
13
Universitas Indonesia
Pada skala mikroskopis, aliran air dalam tanah mengikuti suatu alur yang
berliku di antara partikel-partikel tanah, tetapi secara makroskopis, untuk
pengamatan aliran satu dimensi, alur tersebut dapat dianggap sebagai garis lurus.
Besarnya kecepatan rata-rata aliran air ke pori-pori tanah dapat dihitung dengan
membagi volume aliran per satuan waktu dengan luas rata-rata pori-pori (Av) pada
potongan melintang normal terhadap arah aliran. Kecepatan ini disebut kecepatan
rembesan (seepage velocity; vs) (Craig, 1991).
� = �� ∗ �� (2.16)
bila diketahui � = �� + ��
dan � = � ∗ �;
maka �� ∗ �� = (�� + ��) ∗ � (2.17)
dengan
A= luas penampang total media berpori (m2)
Av= luas pori dalam penampang media berpori (m2)
As= luas partikel padat dalam penampang media berpori (m2)
v= kecepatan debit (discharge velocity) (m/s)
vs= kecepatan rembesan (m/s)
Kecepatan rembesan jika dinyatakan dengan porositas dapat berubah
menjadi persamaan baru tanpa adanya variabel luas penampang.
Diketahui porositas
� =∀�
∀ (2.18)
dan dinyatakan sebagai
� =���
�� =�
��
�� =�
�∗�=
�
� (2.19)
atau
�� = �∆�
∆�∗� (2.20)
Pemodelan fisik..., Herlambang Cipta Aji, FTUI, 2012
-
14
Universitas Indonesia
2.7 Porositas
Porositas merupakan rasio dari volume pori per volume total dari tanah.
Menurut Freeze & Cherry (1979), pengukuran nilai porositas dapat dilakukan
dengan membuat suatu sampel tanah menjadi jenuh, mengukur volume total dan
massanya, kemudian mengeringkan sampel pada oven. Berat dari air yang hilang
dapat diubah menjadi volume dengan membaginya terhadap massa jenis air.
2.8 Konduktivitas hidrolik
Konduktivitas hidrolik merupakan ukuran dari kemampuan media
berpori meloloskan fluida yang melewatinya. Nilai konduktivitas hidrolik
tergantung dari jenis media berpori serta fluida yang melewatinya dengan dimensi
yang sama dengan kecepatan, yaitu LT-1. Konduktivitas hidrolik ini sering disebut
sebagai koefisien permeabilitas.
Koefisien permeabilitas tergantung pada ukuran rata-rata pori yang
dipengaruhi oleh distribusi ukuran partikel, bentuk partikel, dan struktur tanah.
Secara garis besar, makin kecil ukuran partikel, makin kecil pula ukuran pori dan
makin rendah permeabilitasnya (Craig, 1991).
Dari segi gradasi butiran, tanah dengan distribusi ukuran partikel baik
memiliki nilai konduktivitas hidrolik yang lebih kecil daripada tanah dengan
distribusi ukuran partikel buruk. Hal ini terjadi karena pada tanah bergradasi baik,
ruang pori yang terbentuk di antara partikel kasar dapat tertutupi oleh partikel
yang lebih halus.
Tabel 2.2. Rentang nilai permeabilitas (m/s) menurut BS 8004:1986
Sumber: Craig (1991)
Pemodelan fisik..., Herlambang Cipta Aji, FTUI, 2012
-
15
Universitas Indonesia
Tabel 2.3. Koefisien permeabilitas menurut Casagrande
Jenis Tanah K (m/s)
Kerikil 1x10-2 – 1
Pasir/campuran pasir-kerikil 1x10-5 – 1x10-2
Pasir halus, lanau organik, campuran pasir, lanau,
lempung 1x10-9 – 1x10-5
Lempung padat 1x10-11 – 1x10-9
Sumber: Modul Praktikum Mekanika Tanah UI
Tabel 2.4. Koefisien permeabilitas menurut Wesley pada suhu standar (200 C)
Jenis Tanah K (m/s)
Pasir berlempung, pasir berlanau 5x10-5 – 1x10-4
Pasir halus 1x10-5 – 5x10-5
Pasir kelanauan 1x10-6 – 2x10-5
Lanau 1x10-7 – 5x10-6
Lempung 1x10-11 – 1x10-8
Sumber: Modul Praktikum Mekanika Tanah UI
2.8.1 Konduktivitas hidrolik dari tanah berlapis
Adanya lapisan-lapisan dalam tanah memunculkan perbedaan
konduktivitas hidrolik aliran air pada arah sejajar dan tegak lurus lapisan. Air
akan lebih mudah mengalir pada arah sejajar lapisan daripada pada arah tegak
lurus menembus lapisan-lapisan tanah. Konduktivitas hidrolik untuk aliran sejajar
lapisan lebih besar daripada konduktivitas hidrolik untuk aliran tegak lurus
lapisan. Konduktivitas hidrolik pada tanah yang berlapis dapat diketahui dengan
terlebih dahulu memeriksa besarnya konduktivitas hidrolik dari masing-masing
lapisan tanah.
dengan
i1, i2,… in = gradien hidrolik di tiap lapisan (m/m)
K1, K2,… Kn = konduktivitas hidrolik dari masing-masing lapisan (m/s)
H1, H2,... Hn = tebal dari masing-masing lapisan (m)
Pemodelan fisik..., Herlambang Cipta Aji, FTUI, 2012
-
16
Universitas Indonesia
H = H1 + H2 + …Hn = total tebal dari massa tanah (m)
KI = konduktivitas hidrolik rata-rata untuk aliran dengan arah sejajar lapisan (m/s)
KII= konduktivitas hidrolik rata-rata untuk aliran dengan arah tegak lurus lapisan
(m/s)
Besarnya konduktivitas hidrolik untuk aliran dengan arah sejajar lapisan
dihitung dengan metode berikut:
Gambar 2.7. Konduktivitas hidrolik ekivalen pada aliran horizontal melalui tanah
berlapis
Sumber: Presentasi kuliah Mekanika Tanah UI
kecepatan aliran rata-rata dinyatakan dalam kecepatan aliran terbobot:
� =�
�(���� + ���� +⋯����) (2.21)
�� ∗ � =�
�(������ + ������ +⋯������) (2.22)
karena dalam aliran sejajar lapisan nilai gradien hidrolik I di tiap lapisan harus
seragam, maka
�� =�
�(���� + ���� + ⋯���) (2.23)
�� =�
�∑ �������� (2.24)
Sementara untuk aliran pada arah tegak lurus lapisan, nilai gradien
hidrolik i berbeda di tiap lapisnya dan besar gradien hidrolik total di sepanjang
Pemodelan fisik..., Herlambang Cipta Aji, FTUI, 2012
-
17
Universitas Indonesia
tebal lapisan sama dengan total kehilangan energi (Δh) dibagi dengan tebal
seluruh tanah (H).
Gambar 2.8. Konduktivitas hidrolik ekivalen pada aliran vertikal melalui tanah
berlapis
Sumber: Presentasi kuliah Mekanika Tanah UI
∆ℎ = ���� + ���� + ⋯ ���� (2.25)
Pada aliran ini, kecepatan di masing-masing lapisan harus sama.
� = ��� ∗∆�
�= ���� = ���� = ⋯���� (2.26)
��� =�
����
�����
�⋯����
(2.27)
�� =�
�∑��
��
���� �
(2.28)
2.8.2 Pengujian Konduktivitas Hidrolik
Nilai konduktivitas hidrolik dari suatu media berpori dapat diketahui
melalui empat metode: Capillarity Head Test, korelasi data konsolidasi untuk
menghitung konduktivitas hidrolik, Variable Head Test (atau pada literatur lain
disebut Falling Head Test), dan Constant Head Test.
Pemodelan fisik..., Herlambang Cipta Aji, FTUI, 2012
-
18
Universitas Indonesia
2.8.2.1 Pengujian Tinggi Konstan (Constant Head Test)
Konduktivitas hidrolik untuk tanah berbutir-kasar dapat ditentukan
ditentukan dari uji tinggi konstan (constant head test). Contoh tanah pada
kelembaban yang sesuai ditempatkan pada sebuah silinder tembus pandang
(perspex) , dengan luas penampang A. Contoh tanah tersebut beralaskan sebuah
filter kasar atau sebuah saringan kawat. Pada saat pengujian, air mengalir konstan
dalam arah vertikal dengan tinggi energi yang konstan pula. Kemudian volume
pengaliran air per satuan waktu (Q) dihitung. Di sisi silinder terdapat kran-kran
yang digunakan dalam penentuan gradien hidrolik �ℎ �� �. Kemudian dari Hukum
Darcy didapat:
� =� ∗ �
� ∗ ℎ
� =�∗�
�∗�∗� (2.29)
Keterangan:
K= konduktivitas hidrolik media berpori (m/s)
V= volume aliran (m3)
L= panjang sampel tanah (m)
t= lama pengamatan (s)
A= luas penampang sampel tanah (m2)
h= tinggi muka air (m)
Pengujian ini harus dilakukan beberapa kali, masing-masing dengan laju
aliran yang berbeda-beda. Sebelum pengujian dilakukan, contoh tanah
divakumkan dulu untuk mendapatkan tingkat kejenuhan yang mendekati 100%.
Kalau tingkat kejenuhan yang tinggi harus dipertahankan, air yang digunakan
dalam pengujian harus tanpa udara (de-aired water).
2.8.2.2 Pengujian Tinggi Jatuh (Falling Head Test)
Untuk tanah berbutir halus digunakan uji tinggi jatuh (falling-head test).
Dalam hal ini digunakan contoh tanah tidak terganggu (undisturbed) dan silinder
yang digunakan dalam pengujian ini adalah tabung penyimpan contoh tanah
tersebut. Panjang contoh tanah dalam uji coba adalah L m dan luas potongannya
A. Sebuah filter kasar ditempatkan di kedua ujung conoh tanah tersebut dan
bagian atas silinder disambungkan dengan sebuah pipa tegak yang memiliki luas
Pemodelan fisik..., Herlambang Cipta Aji, FTUI, 2012
-
19
Universitas Indonesia
penampang a. Pada saat percobaan, air yang mengalir ke luar ditampung pada
sebuah reservoir dengan tinggi air yang diusahakan konstan. Pipa tegak diisi
penuh dengan air dan dalam kurun waktu terentu (t1) dilakukan pengukuran
terhadap tinggi muka air pipa relatif terhadap tinggi muka air pada reservoir.
Dalam kurun waktu tersebut, tinggi muka air pipa turun dari h0 menjadi h1. Pada
suatu waktu antara t, tinggi muka air pada pipa adalah h dan laju perubahannya
adalah –dh/dt. Pada saat itu perbedaan tinggi energi total adalah h. Sehingga
berdasarkan rumus Darcy:
� = � ∗ � = �−�ℎ
��
−��ℎ
��= ��
∆ℎ
∆�
−���ℎ
��
��
��
=��
∆�� ����
�
� =� ∗ ∆�
� ∗ ����ℎ�ℎ�
� = 2,3�∗∆�
�∗�����
��
�� (2.30)
Keterangan:
K= konduktivitas hidrolik media berpori (m/s)
A= luas penampang silinder tegak (m2)
L= panjang contoh tanah di dalam permeameter (m)
A= luas penampang contoh tanah (m2)
t1= total waktu pada pengukuran (s)
h0, h1= tinggi head (m)
Pemodelan fisik..., Herlambang Cipta Aji, FTUI, 2012
-
20
Universitas Indonesia
Gambar 2.9. Percobaan constant head test
Sumber: Modul Praktikum Mekanika Tanah UI
Pemodelan fisik..., Herlambang Cipta Aji, FTUI, 2012
-
21
Universitas Indonesia
Gambar 2.10. Percobaan falling head test
Sumber: Modul Praktikum Mekanika Tanah UI
Pada pengujian ini tanah harus dijaga tingkat kejenuhannya mendekati
100%. Pengujian ini harus dilakukan beberapa kali, dengan harga h0 dan h1 yang
berbeda dan/atau dengan diameter pipa tegak yang berbeda.
Pemodelan fisik..., Herlambang Cipta Aji, FTUI, 2012
-
22
Universitas Indonesia
2.9 Kompresibilitas
Kompresibilitas (compressibility) merupakan sifat material yang
menjelaskan perubahan volume media berpori maupun air per volume total
material akibat adanya perubahan tekanan.
2.9.1 Kompresibilitas dari Media Berpori ()
Kompresibilitas media berpori () adalah perubahan volume tanah (�∀�)
per volume total tanah (∀�) akibat perubahan tegangan efektif (e).
� = −�∀�
∀��
��� (2.31)
Volume total tanah Vt terdiri dari volume butiran tanah (Vs) dan volume
pori (Vv), yaitu Vt=Vs+Vv. Pengingkatan tekanan efektif tanah e akan
menurunkan nilai volume total tanah Vt . Meski demikian, dianggap volume
butiran tanah tidak berubah (dVs=0) sehingga dVt=dVv.
Besarnya kompresibilitas suatu sampel tanah dapat diketahui melalui uji
konsolidasi. Dari uji konsolidasi akan dicari nilai void ratio tanah e untuk
menghitung persamaan kompresibilitas
� =��� (����)⁄
��� (2.32)
2.9.2 Kompresibilitas dari Air ()
Kompresibilitas dari air () adalah perubahan volume air (�∀� ) per
volume total air (∀�) akibat perubahan tekanan fluida p.
� = −�∀� ∀�⁄
�� (2.33)
Persamaan ini menunjukkan bahwa nilai adalah kemiringan garis dari
grafik regangan versus tegangan dari air. Sepanjang rentang tekanan yang menjadi
pembahasan dalam maslah air tanah, nilai ini konstan, yaitu sebesar 4,4 x 10-10
m2/N.
2.10 Spesific Yield dari Akifer Tidak Terkekang
Spesific yield Sy didefinisikan sebagai volume air yang dikeluarkan oleh
akifer tidak terkekang dari tampungannya per satuan luas penampang akifer untuk
tiap penurunan muka air tanah. Besarnya Sy dapat dihitung sebagai �� =
��(� + ��).
Pemodelan fisik..., Herlambang Cipta Aji, FTUI, 2012
-
23
Universitas Indonesia
Gambar 2.11. Ilustrasi specific yield pada akifer tidak terkekang
Sumber: Freeze dan Cherry (1979)
2.11 Koefisien Dispersi
Koefisien dispersi besarnya tergantung pada nilai dispersivitas dan
koefisien difusi D* dengan persamaan
�� = ���̅ + �∗ (2.34)
Koefisien dispersi dari suatu media berpori dapat diukur di laboratorium
dengan menggunakan kolom tanah atau pasir yang dialiri oleh larutan. Pengujian
bertujuan untuk mencari nilai konsentrasi larutan C yang melalui kolom pasir dan
nilai volume pori U dari massa pasir tersebut. Volume pori (pore volume, U)
mewakili volume air yang akan mengisi seluruh pori-pori pasir di sepanjang
sampel kolom. Nilai volume pori total suatu kolom pasir selama pengujian sama
dengan debit total dibagi dengan volume satu pori.
Pemodelan fisik..., Herlambang Cipta Aji, FTUI, 2012
-
24
Universitas Indonesia
� =�����
���=
���
� (2.13)
dengan �� adalah kecepatan rembesan, A adalah luas penampang kolom pasir, L
adalah panjang kolom, dan n adalah porositas pasir.
Gambar 2.12. Pengujian koefisien dispersi
Sumber: Freeze dan Cherry (1979)
Pickens dan Grisak (1981) menunjukkan bahwa plot data � ��⁄ terhadap
(� − 1) ��.�⁄ pada distribusi normal menghasilkan sebuah garis lurus yang
kemiringan garisnya berhubungan dengan nilai Dl.
Estimasi koefisien dispersi adalah sebagai berikut
�� =���
�× [ �(0,84) − �(0,16) ]� (2.35)
dengan J(0,84) adalah nilai dari fungsi volume pori saat C/Co= 0.84
dan J(0,16) adalah nilai dari fungsi volume pori saat C/Co= 0.16.
Pemodelan fisik..., Herlambang Cipta Aji, FTUI, 2012
-
25
Universitas Indonesia
Gambar 2.13. Grafik C/Co terhadap (U-1)/U0.5
2.12 Jaringan Aliran
Jaringan aliran merupakan representasi grafis dari aliran air melalui tanah
atau media berpori lainnya. Jaringan aliran digunakan untuk menggambarkan
fungsi dari tekanan dan kecepatan pada kondisi-kondisi batas yang diketahui.
Aliran dalam media berpori dapat terjadi akibat adanya perbedaan tekanan.
Perbedaan tekanan ini ditransformasi menjadi energi kinetik aliran air. Sebagai
reaksi, tanah yang dilalui oleh air kemudian melawan aliran ini dengan suatu
tekanan negatif. Tahanan yang diberikan tanah terhadap aliran air ini disebut
sebagai gesekan viskos (viscous friction) dan menyebabkan terjadinya pelepasan
energi kinetik dari aliran air secara bertahap.
Jalur yang dibentuk oleh aliran air pada peristiwa rembesan melalui
massa tanah yang jenuh disebut sebagai garis aliran (flow lines). Garis aliran
disebut juga sebagai kontur kecepatan yang menggambarkan fungsi aliran ψ(x,z).
Selisih kecepatan antara dua garis berdekatan dinotasikan sebagai Δψ. Fungsi
ψ(x,z) ini merupakan kecepatan aliran per satuan tebal tanah sehingga �� = Δ�.
−��
��= �� = −�
��
�� (2.36)
−��
��= �� = −�
��
�� (2.37)
Sementara garis pada jaringan aliran yang menghubungkan titik-titik
dengan tinggi tekanan total yang sama disebut garis ekipotensial (equipotential
lines). Garis ekipotensial disebut juga sebagai kontur tekanan yang
Pemodelan fisik..., Herlambang Cipta Aji, FTUI, 2012
-
26
Universitas Indonesia
menggambarkan fungsi tekanan ϕ(x,z). Selisih tekanan total antara dua garis
berdekatan dinotasikan sebagai Δϕ.
��
��= �� = −�
��
�� (2.38)
��
��= �� = −�
��
�� (2.39)
Gambar 2.14. Jaringan Aliran
Sumber: Presentasi kuliah Mekanika Tanah UI
Untuk memudahkan analisa grafis, ada beberapa kondisi dasar yang
harus dipenuhi dalam penggambaran jaringan aliran. Pertama, sudut yang
terbentuk pada perpotongan antara garis aliran dan garis ekipotensial harus
membentuk sudut siku-siku. Kedua, dianjurkan untuk menggunakan Δψ yang
sama besar untuk dua garis aliran berdekatan dan menggunakan Δϕ yang sama
besar untuk dua garis ekipotensial berdekatan. Ketiga, menggunakan ds dan dm
yang sama panjang sehingga daerah yang dibatasi oleh dua garis ekipotensial dan
dua garis aliran membentuk area bujur sangkar. Dengan terpenuhinya ketiga
kondisi ini, akan berlaku
Δ� = Δ� (2.40)
karena Δ� = Δq dan Δ� = �.Δℎ, maka
Δ� = �. Δℎ (2.41)
Sementara gradien hidrolik ditentukan sebesar
Pemodelan fisik..., Herlambang Cipta Aji, FTUI, 2012
-
27
Universitas Indonesia
i =��
�� (2.40)
untuk keseluruhan jaringan aliran, h= perbedaan tinggi energi total antara garis
ekipotensial pertama dan terakhir, Nd= jumlah penurunan ekipotensial, masing-
masing dengan kehilangan tinggi energi total Δh yang sama, dan Nf= jumlah alur
aliran (flow channels), masing-masing dengan kapasitas aliran Δq yang sama.
Dari sini dapat ditentukan bahwa
Δℎ =�
�� (2.41)
dan
� = ��. � (2.42)
Sehingga debit aliran per satuan tebal tanah di suatu titik pada jaringan aliran
dapat dinyatakan dengan
� = �. ℎ.��
�� (2.43)
2.13 Seepage Tank
Seepage tank merupakan suatu perangkat percobaan yang digunakan
untuk menggambarkan fenomena rembesan pada media berpori. Komponen
utama alat ini terdiri atas kotak kaca tembus pandang yang sisi belakangnya
terhubung dengan manometer, pipa masukan air, dua pipa pelimpah air di sisi kiri
dan kanan, pelat tak-lolos air (impermeable) sebagai model sheet pile, serta
pompa dan bak air di bagian bawahnya.
Pemodelan fisik..., Herlambang Cipta Aji, FTUI, 2012
-
28
Universitas Indonesia
Gambar 2.15. Peralatan Seepage Tank
Sumber: Instruction Manual Seepage Tank (Armfield, Ltd, 1995)
Keterangan:
1. Tangki seepage tank
2. Baffle plate (membran impermeabel)
3. Bingkai baja berbentuk U
4. Bak air
5. Rak/papan
6. Kaca
7. Panel aluminium
8. Penyangga
9. Keran penguras
10. Penguras bak air
11. Pompa sentrifugal
12. Saklar
13. Pipa pelimpah
14. Pipa inlet air
Pemodelan fisik..., Herlambang Cipta Aji, FTUI, 2012
-
29 Universitas Indonesia
BAB 3
METODE PENELITIAN
Pemodelan fisik untuk aliran air tanah dan transpor pencemar pada akifer
jenuh tak terkekang dilakukan menggunakan alat seepage tank. Pengamatan
dilakukan terhadap aliran air dan transpor pencemar pada media pasir yang
ditaruh di dalam tangki kaca. Di tengah tangki kaca tersebut diletakkan suatu
pembatas berupa baffle plate yang tidak tembus air sehingga volume pasir di
dalam kotak terbagi menjadi dua di hulu dan hilir. Pipa pelimpah di sisi kanan dan
kiri seepage tank diatur untuk mendapatkan tinggi muka air di hulu dan hilir sheet
pile. Air dimasukkan dengan selang ke dalam set alat, dibiarkan mengalir melalui
pasir dan merembes di bawah baffle plate hingga ke hilir. Kondisi jenuh diperoleh
setelah muka air sama dengan ketinggian pipa pelimpah di masing-masing sisi
alat. Setelah kondisi jenuh terpenuhi, dimulailah pengamatan untuk aliran air dan
transpor pencemar pada media pasir.
Gambar 3.1. Pengaturan Alat Seepage Tank
Sumber: Olahan penulis
Pemodelan aliran air tanah dilakukan dengan mengamati tinggi tekanan
dari berbagai titik dalam media pasir akibat peristiwa rembesan. Aliran air diatur
sedemikian rupa sehingga didapat kondisi pengaliran tak-tunak (unsteady).
Pemodelan fisik..., Herlambang Cipta Aji, FTUI, 2012
-
30
Universitas Indonesia
Tekanan yang terjadi diukur melalui bacaan manometer yang diletakkan pada dua
puluh titik di tepi seepage tank dan merupakan fungsi dari ruang dan waktu.
Pemodelan transpor pencemar dilakukan dengan mengamati pola penyebaran
warna dari larutan yang dimasukkan ke dalam media pasir. Larutan ini
dimasukkan dengan sebuah dye injection unit setelah diperoleh kondisi pasir
jenuh. Berbeda dengan pemodelan aliran air tanah, pemodelan transpor pencemar
ini dilakukan pada kondisi pengaliran tunak (steady).
Dibutuhkan serangkaian kegiatan percobaan, perhitungan, dan pengujian
untuk memperoleh model fisik aliran dan transpor pencemar air tanah pada akifer
jenuh tak terkekang dengan alat seepage tank. Rangkaian kegiatan tersebut
dimaksudkan untuk memastikan bahwa seluruh kondisi batas (boundary
condition) dan kondisi awal (initial condition) yang diharapkan dapat terpenuhi,
intervensi yang diberikan dapat terukur, serta respon yang terjadi dapat diamati.
Dengan memastikan hal-hal tersebut di atas, diharapkan dapat diperoleh sebuah
pemodelan fisik yang valid untuk diulang (repeatable) dan diduplikasi
(replicable) pada kegiatan-kegiatan berikutnya.
3.1 Pemilihan Pasir sebagai Media Berpori
Pemodelan transpor pencemar membutuhkan media berpori dengan
karakter visual yang sesuai. Dalam pemodelan ini digunakan pasir dengan warna
putih. Hal ini dilakukan untuk memudahkan pengamatan penyebaran larutan yang
dimasukkan ke dalam media berpori pada kegiatan pemodelan transpor pencemar.
Untuk itu jenis pasir yang digunakan harus diuji dahulu kemampuannya dalam
memperlihatkan larutan berwarna yang melewatinya. Dengan pasir berwarna
putih, diharapkan warna larutan yang muncul dapat terlihat lebih jelas daripada
jika menggunakan pasir berwarna gelap.
3.2 Pengukuran Karakteristik Sistem Aliran
Dalam persamaan aliran air tanah dan transpor pencemar pada akifer
jenuh tak terkekang, dibutuhkan data-data mengenai properti sistem aliran.
Properti yang dimaksud adalah porositas, konduktivitas hidrolik, kompresibilitas,
Pemodelan fisik..., Herlambang Cipta Aji, FTUI, 2012
-
31
Universitas Indonesia
dan koefisien dispersi. Melalui pengukuran, data-data tersebut dapat diperoleh
sebelum kegiatan pemodelan dengan seepage tank dimulai.
Sebelum memulai pengukuran, ditetapkan terlebih dahulu kerapatan pasir
yang diinginkan. Kerapatan pasir dapat diatur dengan menuangkan pasir
mengikuti suatu metode tertentu. Metode penuangan ini harus konsisten sehingga
kerapatan pasir yang akan dimasukkan ke dalam alat seepage tank sama dengan
kerapatan dari sampel pasir yang digunakan dalam pengukuran karakeristik sistem
aliran. Dalam kegiatan ini akan digunakan metode penuangan pasir secara berlapis
tanpa pemadatan. Pasir dituang secara bertahap setinggi 30 mm untuk tiap
lapisnya. Angka ini merupakan taksiran yang dibuat untuk mendapatkan massa
pasir yang cukup rapat tanpa adanya pemadatan.
3.2.1 Pengujian Porositas Media Berpori
Porositas diperlukan sebagai tolak ukur sama atau tidaknya sampel pasir
dalam pengujian dengan pasir yang akan digunakan dalam peralatan seepage tank.
Pengujian porositas (n) dilakukan dengan kegiatan perendaman dan pengeringan
sampel pasir. Melalui rangkaian kegiatan tersebut akan diperoleh volume total dan
volume pori yang kemudian dibandingkan untuk mendapatkan nilai prorositasnya.
3.2.2 Pengujian Konduktivitas Hidrolik
Konduktivitas hidrolik (K) diukur dengan metode pengujian tinggi jatuh
(falling head test). Metode ini dipilih karena sampel merupakan pasir dengan
permeabilitas dan angka pori yang besar. Dalam pengujian ini digunakan air
karena dalam pemodelan, yang dibutuhkan adalah kemampuan air dalam
meloloskan air.
3.2.3 Pengukuran Kompresibilitas Pasir
Kompresibilitas pasir diukur untuk dapat menghitung nilai spesific yield.
Pengukuran dilakukan dengan alat konsolidometer tipe cincin tetap (fixed-ring
concolidometer) dan dari hasil pengujian ini akan diperoleh angka pori yang dapat
digunakan untuk menghitung nilai kompresibilitas sampel pasir.
3.2.4 Pengukuran Konsentrasi Larutan Dye
Konsentrasi larutan diperlukan untuk pengujian koefisien dispersi dari
sistem aliran transpor pencemar. Konsentrasi larutan dapat diketahui melalui
informasi langsung dari produk pewarna makanan, bila digunakan larutan yang
Pemodelan fisik..., Herlambang Cipta Aji, FTUI, 2012
-
32
Universitas Indonesia
sudah jadi, maupun dengan cara mengukur massa bubuk pewarna dan volume
total larutan, bila diperlukan pencampuran terlebih dahulu. Banyaknya konsentrasi
larutan dapat dievaluasi jika ternyata setelah dilakukan pemodelan dirasa warna
yang muncul kurang jelas terlihat.
3.2.5 Pengukuran Koefisien Dispersi
Koefisien dispersi arah longitudinal aliran (Dl) diukur dengan
mengalirkan larutan dye melalui kolom berisi pasir dan mengukur kecepatan
rembesan yang terjadi beserta konsentrasi larutan yang keluar. Hasil dari
pengujian ini akan dibuat sebagai grafik dan kemudian dihitung kemiringan
garisnya yang dapat dianggap sebagai nilai koefisien dispersi.
3.3 Pemodelan Aliran Air Tanah dan Transpor Pencemar
3.3.1 Persiapan Alat Seepage Tank
Persiapan seepage tank meliputi pengaturan tinggi pasir, posisi baffle
plate, dan tinggi pipa pelimpah pada hulu dan hilir. Pengaturan ini dimaksudkan
untuk memperoleh kondisi-kondisi batas dari pengamatan yang akan dimodelkan.
Tinggi pasir di dalam tangki dan posisi baffle plate menjadi kondisi batas
yang tetap untuk kegiatan pemodelan aliran air tanah maupun transpor pencemar.
Pasir diisi hingga mencapai ketinggian 300 mm di atas dasar tangki. Penuangan
pasir ke dalam tangki ini mengikuti cara yang sama dengan cara penuangan pasir
saat dilakukan pengujian karakteristik pasir, yaitu dengan mengisi tangki secara
bertahap, setinggi 30 mm untuk tiap lapisnya. Baffle plate diletakkan di tengah
tangki dengan jarak tepi bawahnya terhadap dasar tangki adalah 150 mm. Bidang
kontak antara tepi baffle plate di sebelah hilir dengan tangki diberi lilin sebagai
perkuatan guna mengantisipasi terdorongnya baffle plate akibat tekanan air yang
terjadi di sisi hulu.
Tinggi muka air dalam pemodelan aliran air tanah dan transpor pencemar
dibuat berbeda. Hal ini dilakukan karena pemodelan aliran air tanah
membutuhkan kondisi aliran tak-tunak (unsteady) sementara pemodelan transpor
pencemar membutuhkan aliran tunak (steady). Meski demikian, sebagai persiapan
untuk membuat media pasir jenuh, muka pipa pelimpah di hulu dibuat berada
pada jarak 150 mm di bawah permukaan atas tangki dan muka pipa pelimpah di
Pemodelan fisik..., Herlambang Cipta Aji, FTUI, 2012
-
33
Universitas Indonesia
hilir berada pada jarak 25 mm di atas permukaan pasir. Pengisian air dimulai dari
kotak pengisian di hilir lalu selang dipindah ke hulu sampai ketinggian muka
airnya tercapai. Kegiatan ini dimaksudkan untuk mengurangi tekanan yang terjadi
pada sisi hulu baffle plate akibat rembesan.
3.3.2 Mengatur Kondisi Pengaliran untuk Model Aliran Air Tanah Unsteady
Aliran tidak tunak (unsteady) dibuat untuk mendapatkan variasi nilai
tekanan terhadap waktu. Kondisi ini dapat diperoleh dengan membuat tinggi
muka air di hulu berubah terhadap waktu. Maka dalam kegiatan ini, sebagai
percobaan awal, tinggi muka air di hulu dibuat naik sebanyak 100 mm. Setelah
pasir jenuh pada posisi muka air awal yang konstan, pipa pelimpah di sisi hulu
dinaikkan sebanyak 100 mm sementara aliran air ke dalam tangki tetap
dipertahankan sehingga muncul kenaikan tekanan. Tinggi kenaikan pipa ini akan
dievaluasi lagi untuk memastikan bahwa bacaan manometer dapat menunjukkan
perubahan tinggi tekanan yang terlihat jelas. Jika tidak, maka perubahan tinggi
muka air diperbesar sehingga perbedaan tekanannya semakin signifikan.
3.3.3 Pembacaan Manometer untuk Model Aliran Air Tanah Unsteady
Pembacaan manometer bertujuan untuk mengamati perubahan tekanan
per satuan waktu yang terjadi dan dilakukan pada selang waktu tertentu yang
konstan selama terjadi kenaikan tinggi muka air di hulu. Sebagai percobaan awal,
pengamatan dilakukan sebanyak lima kali sejak pipa hulu dinaikkan sampai tinggi
muka air di hulu mencapai elevasi rencana akhir. Dengan demikian, penentuan
waktu pengamatan dilakukan dengan cara mengukur waktu yang dibutuhkan air
untuk naik dan membaginya menjadi lima bagian. Diharapkan dengan begini
didapat perbedaan bacaan manometer yang cukup jelas di tiap waktu
pengamatannya. Hasil pengamatan kemudian dicatat sebagai tinggi tekanan pada
tiga puluh enam manometer pada lima rentang waktu yang ditetapkan.
3.3.4 Mengatur Kondisi Pengaliran Steady untuk Model Transpor Pencemar
Pemodelan transpor pencemar bertujuan untuk mendapatkan gradien
konsentrasi pencemar ketika merembes di massa pasir. Pemodelan transpor
pencemar dilakukan pada kondisi pengaliran tunak (steady) agar diperoleh
kecepatan rembesan yang konstan. Tinggi muka air di hulu dibuat tetap, yaitu
sama dengan tinggi akhir muka air hulu di kegiatan pemodelan aliran air tanah
Pemodelan fisik..., Herlambang Cipta Aji, FTUI, 2012
-
34
Universitas Indonesia
sebelumnya. Sebelum kegiatan dilanjutkan, harus dipastikan bahwa pada kondisi
ini bacaan manometer sudah konstan, atau tidak ada perubahan tekanan terhadap
waktu. Kondisi awal muka air ini dapat dievaluasi jika ternyata penyebaran
konsentrasi larutan yang diamati di akhir kegiatan tidak memberikan hasil yang
jelas.
3.3.5 Memasukkan Dye sebagai Model Pencemar ke Pasir
Posisi dan cara memasukkan dye perlu dikontrol untuk memastikan
bahwa dye dapat mengalir bersama dengan aliran air yang terjadi pada pasir dan
bahwa gradien konsentrasi dye dalam aliran dapat terlihat jelas. Larutan yang
digunakan sebagai dye adalah pewarna makanan dengan warna merah. Larutan ini
dimasukkan ke dalam pasir menggunakan dye injection unit yang merupakan
salah satu kelengkapan dari seepage tank. Larutan ditampung dalam botol dari dye
injection unit dan dikeluarkan dengan konsentrasi konstan melalui jarum.
Konsentrasi larutan yang masuk ini harus diperhitungkan agar dye dapat mengalir
bersama aliran air dan tidak menyebar ke arah atas atau horisontal dari permukaan
pasir akibat terlalu tingginya konsentrasi pencemar yang masuk.
Sebagai percobaan awal, jarum dari dye injection unit dimasukkan di
tengah penampang atas pasir dengan kedalaman penetrasi sebesar 6 mm. Jarum
dimasukkan di tengah penampang pasir, bukan di tepi kaca, agar larutan berwarna
benar-benar mengalir melalui massa pasir. Jika penempatan jarum terlalu dekat
dengan tepi tangki, dikhawatirkan proses transpor pencemar justru terjadi melalui
tepi kaca. Meski penempatan dye injection unit di tepi kaca membuat penjalaran
larutan lebih mudah diamati, masuknya dye di tengah pasir dianggap lebih baik
karena dapat mewakili peristiwa adveksi dan dispersi.
3.3.6 Pengamatan Gradien Konsentrasi Dye Sepanjang Aliran
Setelah dye disuntikkan ke dalam pasir, diharapkan ia akan menyebar
secara gradual mengikuti arah aliran rembesan. Penjalaran konsentrasi larutan
terjadi di arah longitudinal dan transversal aliran sehingga muncul gradien
konsentrasi larutan sepanjang aliran. Penjalaran ini kemudian dicatat sebagai
dokumentasi video yang menunjukkan perubahan konsentrasi selama rentang
waktu tertentu.
Pemodelan fisik..., Herlambang Cipta Aji, FTUI, 2012
-
35
Universitas Indonesia
3.4 Algoritma Pemodelan Fisik Aliran Air Tanah dan Transpor Pencemar
pada Akifer Tak Terkekang Jenuh
Rangkaian kegiatan yang dilakukan untuk menemukan prosedur
pemodelan aliran air tanah dan transpor pencemar dengan alat seepage tank dapat
digambarkan melalui bagan alir berikut:
Pemodelan fisik..., Herlambang Cipta Aji, FTUI, 2012
-
36
Universitas Indonesia
hasil berupa nilai tinggi
tekanan pada waktu
tertentu
Pengamatan gradien
konsentrasi dye sepanjang
aliran
hasil berupa dokumentasi penyebaran
konsentrasi dye
penyebaran
dye tampak
jelas
Pemodelan Transpor
Pencemar
Mengatur kondisi
pengaliran steady
Mengatur tinggi muka air hulu dan hilir Mengalirkan air hingga jenuh
Menentukan masukan dye
ke dalam pasir
Pengamatan manometer
T
Pemodelan Aliran Air
Tanah
Mengatur kondisi
pengaliran unsteady
Mengatur tinggi muka air hulu dan hilir Mengalirkan air hingga jenuh Menaikkan tinggi muka air hulu
Pengamatan manometer
tampak
perubahan
tekanan
Menentukan jenis pasir
cek visibilitas
pasir
Y T
Mulai
Menentukan metode
pengisian pasir
Uji Laboratorium
Porositas Hydraulic Conducticity Compressibility Konsentrasi dye Koefisien Dispersi
Properti Pasir dan Larutan
Set alat Seepage Tank
Y
T
Y
Gambar 3.2. Algoritma Pemodelan
Pemodelan fisik..., Herlambang Cipta Aji, FTUI, 2012
-
37 Universitas Indonesia
BAB 4
IMPLEMENTASI RENCANA PENELITIAN
Untuk memperoleh kegiatan pemodelan fisik yang terukur dan sesuai
dengan kondisi sistem yang diharapkan, telah dilakukan serangkaian pengujian
dan percobaan sesuai dengan rancangan metode penelitian yang telah dijelaskan
sebelumnya. Hasil dari pengujian dan percobaan ini menjadi penentu arah dalam
penetapan protokol dari kegiatan pemodelan aliran air dan transpor pencemar
pada media berpori jenuh menggunakan seepage tank.
4.1 Pengecekan Visibilitas Pasir dalam Mengalirkan Larutan Dye
Pengecekan dilakukan dengan percobaan skala kecil yang bertujuan
untuk melihat kenampakan warna dari larutan yang melewati suatu sampel pasir.
Dalam percobaan ini digunakan wadah transparan dari bekas kemasan air mineral,
sampel pasir, dan larutan pewarna makanan.
Kemasan air mineral berbentuk gelas dilubangi di bagian alasnya dan
kemudian diisi pasir. Untuk menjaga pasir tidak jatuh, alas wadah ini perlu
ditahan dengan tangan. Setelah pasir masuk, kemudian sampel tersebut dialiri air
untuk membuatnya jenuh. Larutan pewarna pun dimasukkan ke pasir
menggunakan alat suntik yang diletakkan di tengah permukaan pasir, sedikit ke
tepi wadah. Apabila turunnya pewarna dapat terlihat dari tepi wadah, maka pasir
dianggap dapat digunakan untuk memodelkan kejadian transpor pencemar
mekanisme adveksi-dispersi.
Gambar 4.1 Pengecekan visibilitas pasir
Sumber: dokumentasi pribadi
Pemodelan fisik..., Herlambang Cipta Aji, FTUI, 2012
-
38
Universitas Indonesia
4.2 Pengukuran Karakteristik Sistem Aliran
4.2.1 Pengujian Porositas Media Berpori
Tujuan dari pengujian ini adalah untuk memastikan bahwa sampel pasir
yang digunakan dalam kegiatan pengukuran karakteristik sistem aliran memiliki
kerapatan yang sama dengan pasir yang digunakan dalam alat seepage tank.
Pengujian ini mengalami kendala karena tidak dapat dilakukan pengambilan
sampel pasir dari dalam alat seepage tank untuk diuji porositasnya akibat gaya
kohesi antar pasir sangat lemah. Sebagai solusi dari kendala ini, pembuatan
sampel untuk pengujian properti pasir di laboratorium dilakukan dengan cara yang
sama dengan cara penumpukan pasir di alat seepage tank, yaitu dipadatkan
dengan beban yang sama dan dijatuhkan dari ketinggian yang sama pula.
4.2.2 Pengujian Konduktivitas Hidrolik
Pengujian konduktivitas hidrolik dijalankan melalui tes permeabilitas
dari suatu sampel pasir. Tes permeabilitas dilakukan dengan peralatan yang terdiri
dari alat constant head-test, mould permeability, batang penumbuk, gelas ukur,
stopwatch, penggaris, dan jangka sorong.
Pengujian konduktivitas hidrolik ini dibuat sedemikian rupa sehingga
dapat memastikan bahwa sampel media berpori dan fluida yang diuji sesuai dan
mewakili sistem yang digunakan dalam pemodelan di seepage tank. Media
berpori yang diuji merupakan pasir dengan jenis fine sand berdiameter 0,084 –
0,141 mm. dan fluida yang dipakai untuk pengetesan adalah air.
Pengetesan diawali dengan pembuatan sampel pasir. Pembuatan sampel
dalam mould permeability dilakukan dalam beberapa lapis dengan tebal tiap lapis
adalah 3 cm. Setiap lapis ditumbuk dengan sebuah alat pemukul yang
menggunakan beban cincin 1 kg sebagai penumbuknya. Beban dijatuhkan dari
tinggi konstan 20 cm sebanyak 10 kali. Metode penumbukan ini mengikuti
metode penumbukan pasir yang dilakukan di tahap persiapan kegiatan pemodelan
di seepage tank. Setelah mould terisi penuh dengan pasir, diberi satu lembar
kertas saring di atasnya. Kertas saring ini nantinya akan berada di bagian bawah
setelah mould dibalik dan berfungsi untuk menjaga agar pasir tidak jatuh. Mould
kemudian dibalik dan diletakkan di atas piringan logam yang memiliki lubang-
lubang dan berfungsi untuk mengalirkan air yang melewati kolom pasir saat
Pemodelan fisik..., Herlambang Cipta Aji, FTUI, 2012
-
39
Universitas Indonesia
dilakukan tes permeabilitas. Terakhir, mould ditutup dengan piringan logam lain
yang hanya memiliki satu lubang di atasnya untuk memasukkan air dan kemudian
kedua piringan logam di atas dan bawah tersebut dikencangkan dengan batang
besi penjaga.
Tabel 4.1 Data sampel pasir
tinggi silinder : 13,03 cm
diameter dalam : 9,95 cm2
luas permukaan : 310,8678 cm2
Gambar 4.2 Sampel pasir dalam mould permeabity
Sumber: dokumentasi pribadi
Tahap berikutnya adalah menyambungkan semua peralatan untuk
pelaksanaan pengujian. Mould permeability dimasukkan ke dalam sebuah wadah
yang berfungsi untuk menampung volume air yang keluar dari mould. Wadah
yang digunakan dalam kegiatan ini adalah suatu kotak plastik berwarna putih
dengan kapasitas 8 L dan memiliki keran untuk mengeluarkan limpasan air.
Bagian atas mould permeability disambungkan dengan selang dari reservoir atas.
Tes permeabilitas dilakukan dengan mengalirkan air ke reservoir atas dan
mengamati debit air yang keluar dari keran wadah tampungan. Debit air yang
keluar dari reservoir dan masuk ke kolom pasir konstan karena terdapat pipa
pelimpah yang dapat mengatur tinggi permukaan air di di dalam reservoir. Air
turun melalui selang dan masuk ke mould permeability sehingga terjadi aliran air
dalam media berpori. Sebagian air keluar melalui lubang-lubang yang ada di dasar
mould dan mengisi wadah tampungan. Ketika tinggi muka air telah mencapai
keran outlet, air akan keluar dari wadah. Volume dan waktu keluarnya air dari
keran ini kemudian dicatat sebagai debit aliran dalam pasir.
Pemodelan fisik..., Herlambang Cipta Aji, FTUI, 2012
-
40
Universitas Indonesia
Gambar 4.3 Selang untuk mengalirkan
air ke mould
Sumber: dokumentasi pribadi
Gambar 4.4 Selang terhubung dengan
reservoir atas
Sumber: dokumentasi pribadi
Untuk menghitung konduktivitas hidrolik, dipastikan dahulu bahwa debit
yang keluar tersebut sudah konstan, karenanya dibutuhkan beberapa pengambilan
data debit. Pengukuran debit dilakukan dengan gelas ukur dan stopwatch. Dalam
pengukuran debit ini, tidak ditentukan volume maupun waktu pengambilan air ke
gelas ukur. Sehingga pengukuran dilakukan secara spontan, penampungan air
dapat dilakukan pada volume dan waktu yang berbeda-beda. Hal ini dilakukan
untuk menghindari terjadinya ketidakakuratan waktu dalam mengangkat gelas
ukur maupun dalam menghentikan stopwatch.
Gambar 4.5 Pengukuran debit air yang keluar
Sumber: dokumentasi pribadi
Tabel 4.2 Hasil pengukuran debit
Time (s) Volume (mL)
80,5 380
87 410
Pemodelan fisik..., Herlambang Cipta Aji, FTUI, 2012
-
41
Universitas Indonesia
Lanjutan tabel 4.2
Time (s) Volume (mL)
85,9 400
85 390
Dari data tersebut kemudian dihitung nilai permeabilitas dari media
berpori dengan persamaan
� =�∗�
�∗�∗� (4.1)
dengan:
K= konduktivitas hidrolik media berpori (m/s)
V= volume aliran (m3)
L= panjang sampel tanah (m)
t= lama pengamatan (s)
A= luas penampang sampel tanah (m2)
h= beda tinggi antara muka air di wadah dengan di reservoir atas = 1,2 m
Diperoleh nilai permeabilitas sampel pasir adalah 0,00985 m/s. Angka ini
menunjukkan bahwa pasir yang digunakan termasuk jenis clean sand.
4.2.3 Pengukuran Kompresibilitas Pasir
Kompresibilitas media berpori dibutuhkan untuk menghitung nilai
Spesific Yield dari suatu model akifer tidak terkekang. Untuk menghitungnya
secara empiris, dibutuhkan pengujian konsolidasi dari sampel tanah. Karena
media berpori yang digunakan dalam kegiatan pemodelan ini adalah pasir dengan
nilai permeabilitas tinggi, tes konsolidasi tidak dapat dilakukan. Yang menjadi
kendala adalah pembuatan sampel yang sulit dan karakterist